(57)【要約】【課題】  抵抗変化率が大きく、読み出しエラーを少なくすることができる記憶素子を提供する。【解決手段】  情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層１７を有し、記憶層１７に対して、中間層１６を介して磁化固定層３１が設けられ、中間層１６が酸化マグネシウムから成り、記憶層１７又は磁化固定層３１を構成する強磁性層１７，１３，１５のうち少なくとも一層がＣｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、かつＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種類を５原子％以上２０原子％以下含有してなる記憶素子３を構成する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記中間層が、酸化マグネシウムから成り、
前記記憶層又は前記磁化固定層を構成する強磁性層のうち少なくとも一層が、Ｃｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、かつＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を５原子％以上２０原子％以下含有して成る
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項２】
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、情報の記録が行われることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
前記記憶層又は前記磁化固定層を構成する強磁性層のうち少なくとも一層が、ＣｏＦｅＢを主成分として成り、かつＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を５原子％以上２０原子％以下含有して成ることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記中間層が、酸化マグネシウムから成り、前記記憶層又は前記磁化固定層を構成する強磁性層のうち少なくとも一層が、Ｃｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、かつＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を５原子％以上２０原子％以下含有する構成であり、
前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置される
ことを特徴とするメモリ。
【請求項５】
前記記憶素子は、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成であることを特徴とする請求項4に記載のメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成る記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要求されている。
特に、不揮発性メモリは、ハードディスクや光ディスクのように可動部分が存在しないので、本質的に小型化を図る上で有利である特徴を有している。
【０００３】
そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
ＭＲＡＭは、ほぼ直交する２種類のアドレス配線（ワード線、ビット線）にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。
このＭＲＡＭは、磁気モーメントの回転により記憶を行うため、書き換え可能回数が大きい。
また、アクセス時間についても非常に高速である。
【０００５】
一般的なＭＲＡＭの模式図（斜視図）を、図８に示す。
シリコン基板等の半導体基体１１０の素子分離層１０２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域１０８、ソース領域１０７、並びにゲート電極１０１が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極１０１の上方には、図中前後方向に延びるワード線１０５が設けられている。
ドレイン領域１０８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域１０８には、配線１０９が接続されている。
そして、ワード線１０５と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線１０６との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子１０３が配置されている。この磁気記憶素子１０３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
さらに、磁気記憶素子１０３は、水平方向のバイパス線１１１及び上下方向のコンタクト層１０４を介して、ソース領域１０７に電気的に接続されている。
ワード線１０５及びビット線１０６にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子１０３に印加して、これにより磁気記憶素子１０３の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
【０００６】
そして、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流す必要がある。
【０００７】
また、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献１参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
【０００８】
例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。
【０００９】
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。
【００１０】
上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの模式図を図６及び図７に示す。図６は斜視図、図７は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体６０の素子分離層５２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域５８、ソース領域５７、並びにゲート電極５１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極５１は、図７中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域５８は、図６中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域５８には、配線５９が接続されている。
そして、ソース領域５７と、上方に配置された、図６中左右方向に延びるビット線５６との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子５３が配置されている。
この記憶素子５３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。図中６１及び６２は磁性層を示しており、２層の磁性層６１，６２のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子５３は、ビット線５６と、ソース領域５７とに、それぞれ上下のコンタクト層５４を介して接続されている。これにより、記憶素子５３に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００１１】
このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図８に示した一般的なＭＲＡＭと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
【００１２】
ところで、ＭＲＡＭの場合は、記憶素子とは別に書き込み配線（ワード線やビット線）を設けて、書き込み配線に電流を流して発生する電流磁界により、情報の書き込み（記録）を行っている。そのため、書き込み配線に、書き込みに必要となる電流量を充分に流すことができる。
【００１３】
一方、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、記憶層の磁化の向きを反転させる必要がある。
そして、このように記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み（記録）を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさに制限される。
このため、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。
【００１４】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子の構成にすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子に流す電流量に制限が生じる。この観点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。
【００１５】
従って、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる構成の記憶素子では、スピン注入効率を改善して、必要とする電流を減らす必要がある。
【００１６】
また、従来のＭＲＡＭでは、記憶素子のトンネル絶縁層の材料として、主にアルミニウムを酸化したＡｌＯＸが広く用いられてきた。しかし、絶縁層に用いる材料をＡｌＯＸからＭｇＯに変えることにより、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を得られることが知られている。
例えば、結晶面が（１００）方向に配向しているＦｅの強磁性層と、（１００）方向にエピタキシャル成長させたＭｇＯの絶縁層を用いることにより、室温で８８％のＭＲ比が得られている（非特許文献２参照）。
【００１７】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics, Part 2: Letters April 15, 2004 Volume 43, Issue 4B, p.L588-L590
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ＭＲＡＭに用いる記憶素子は、抵抗変化率が大きいほど、記録された情報を読み出す際に読み出しエラーが少なくなることから、記憶素子の抵抗変化率をさらに大きくすることが望まれる。
【００１９】
上述した問題の解決のために、本発明においては、抵抗変化率が大きく、読み出しエラーを少なくすることができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が酸化マグネシウムから成り、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層のうち少なくとも一層がＣｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、かつＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を５原子％以上２０原子％以下であるものである。
【００２１】
本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置されるものである。
【００２２】
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、中間層が酸化マグネシウムからなり、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層のうち少なくとも一層がＣｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を５原子％以上２０原子％以下で含有することにより、抵抗変化率を大きくすることが可能になる。
【００２３】
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であることにより、抵抗変化率を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
上述の本発明によれば、高いＭＲ比を得ることができるため、記憶素子の動作マージンが充分に得られ、エラーなく記憶素子を動作させることができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、電流磁場又は前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態（磁化の向き）により保持するものである。
【００２６】
記憶層と磁化固定層との間の非磁性の中間層として、トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができる。
【００２７】
そして、特に、このトンネル絶縁層の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、酸化アルミニウムを用いた場合よりも、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくする事ができる。従って、中間層であるトンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用いることにより、読み出し信号強度を大きくすることができる。
【００２８】
そこで、本発明では、記憶層と磁化固定層との間の中間層を、酸化マグネシウムから成る構成（トンネル絶縁層）とする。
これにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができる。
【００２９】
なお、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜から成るトンネル絶縁層は、ＭｇＯ膜が結晶化していて、（１００）方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。
【００３０】
また、種々の検討を行った結果、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層のうち、少なくとも一層の材料を限定し、さらにこの層の組成を規定することにより、磁気抵抗変化率が大きくなることを見出した。また、スピン注入により情報を記録する記憶素子において、スピン注入効率が改善され、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流密度が低減されることを見い出した。
【００３１】
そこで、本発明では、さらに、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層のうち、少なくとも一層を、Ｃｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、かつＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を５原子％以上２０原子％以下含有する構成とする。このうち、主成分である、Ｃｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類としては、Ｃｏ単独、Ｆｅ単独、Ｃｏ−Ｆｅ合金が挙げられる。
これにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。また、スピン注入により情報を記録する記憶素子において、スピン注入効率を向上し、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流密度を低減することができる。
【００３２】
以下、強磁性層にＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を含有させることによって、高いＭＲ比が得られる理由について述べる。
【００３３】
Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂは、トンネル絶縁層に接する強磁性層に用いられるＣｏ，Ｆｅ等の元素とイオン半径が近似しており、結晶格子中のＦｅやＣｏをＶ，Ｃｒ，Ｎｂに置き換えても十分に配向した磁性材料が得られる。
また、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂは、ＦｅやＣｏに比べてイオン半径が少し大きく、ＦｅやＣｏによって構成された磁性材料に、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂを添加することにより結晶の格子定数を大きくすることができる。
【００３４】
トンネル絶縁層を構成するＭｇＯの格子定数は、ＦｅやＣｏの格子定数よりも大きく、トンネル絶縁層と接する強磁性層との間には、格子不整合が発生している。
そのため、ＦｅやＣｏよりも大きなイオン半径を持つＶ，Ｃｒ，Ｎｂを強磁性層に添加することにより、強磁性層の格子定数が大きくなり、トンネル絶縁層を構成するＭｇＯとの格子定数の差が減少して格子不整合を少なくすることができる。
【００３５】
以下、強磁性層とトンネル絶縁層との格子不整合の低減について、第一原理計算に基づいて具体的に説明する。
なお、第一原理計算とは、各原子の原子番号のみをパラメータとして、格子定数、磁化、電子状態を求めることができる計算手法である。
特に、合金等の各原子がランダムに格子を作るような物質の計算では、コヒーレントポテンシャル近似（Coherent Potential Approximation : ＣＰＡ）と呼ばれる手法を使用できる。
このＣＰＡを用いた電子状態の計算手法の一つとして、ＫＫＲ−ＣＰＡ法（Korringa-Kohn-Rostoker Coherent Potential Approximation）と呼ばれる計算方法がある。このＫＫＲ−ＣＰＡ法のプログラムの一つとして、大阪大学の赤井久純教授が開発した、「ＭＡＣＨＩＫＡＮＥＹＡＭＡ２０００」と呼ばれるプログラム（H&M.Akai,Korringa-Kohn-Rostoker Coherent Potential Approximation Package(H.Akai,  Osaka University, 2000)）がある。
【００３６】
第一原理計算により計算を行った結果、Ｆｅからなる強磁性材料と、酸素欠陥のないＭｇＯからなる中間層との格子不整合は、約３％であった。
そこで、Ｆｅにイオン半径の少し大きなＶを２０％添加した強磁性材料と、酸素欠陥のないＭｇＯからなる中間層との格子不整合を第一原理計算に基づき計算すると、格子不整合を２．３％に減らすことができた。
また、ＭｇＯに１％程度の格子欠陥があり、格子定数が縮まっていると、ＦｅにＶを２０％添加した場合の強磁性材料と中間層との格子不整合は、１．５％に減少する。
この格子不整合が減少することにより、ＭｇＯの結晶性が向上し、耐圧も上昇する。
ＦｅやＣｏよりもイオン半径が大きいＣｒ、Ｎｂについても同様に、Ｃｏ，Ｆｅからなる強磁性層にＣｒ，Ｎｂを添加する構成により、ＭｇＯからなる中間層との格子不整合が減少する結果が得られた。各元素のイオン半径の大きさを表１に表す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
また、Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂ等の遷移金属元素は、ＣｏやＦｅよりも３ｄ軌道の電子の数が少ないため、飽和磁化を下げることができ、これらの遷移金属の濃度や混合割合を調整することにより、所望の磁化反転効率を有する結晶配向した磁性材料が得られる。
【００３９】
Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂ等の遷移金属元素が、ＦｅやＣｏに添加されることにより、その金属元素のフェルミレベルにおけるｐ軌道電子やｓ軌道電子等の電気伝導に寄与する電子の状態が変わることから、直接的にＭＲ比等の電気伝導特性を調整することができる。
【００４０】
次に、強磁性層にＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を含有させた構成を、スピン注入により情報を記録する記憶素子に適用した場合について説明する。
【００４１】
スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）もしくはトンネル磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性（向き）は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。
【００４２】
スピン注入によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Ｉｃは、現象論的に、下記数１により表される（例えば、Applied Physics Letter Volume 78, Number 23  4 June 2001、等を参照）。
【００４３】
【数１】
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【００４４】
本発明では、式（１）で表されるように、電流の閾値が、磁性層の飽和磁化Ｍｓを下げるように、制御することにより、任意に設定することが可能であることを利用する。
そして、磁化状態により情報を保持することができる磁性層（記憶層）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する記憶素子を構成する。
【００４５】
記憶層の磁化状態を変化させる電流の閾値は、実際には、例えば記憶層の厚さが２ｎｍであり、平面パターンが１２０〜１３０ｎｍ×１００ｎｍの略楕円形の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）において、＋側の閾値＋Ｉｃ＝＋０．６ｍＡであり、−側の閾値−Ｉｃ＝−０．２ｍＡであり、その際の電流密度は約６×１０６Ａ・ｃｍ２である。これらは、上記の式（１）にほぼ一致する（屋上他著，日本応用磁気学会誌，Vol.28,No.2,p.149,2004年参照）。
【００４６】
一方、電流磁場により磁化反転を行う通常のＭＲＡＭでは、書き込み電流が数ｍＡ以上必要となる。
これに対して、スピン注入により磁化反転を行う場合には、上述のように、書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることがわかる。
また、通常のＭＲＡＭで必要とされる、電流磁界発生用の配線（図８の１０５）が不要となるため、集積度においても通常のＭＲＡＭに比較して有利である。
【００４７】
しかしながら、前述したように、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、記憶層の磁化の向きを反転させる必要がある。
そして、このように記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み（記録）を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさに制限される。
このため、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。
【００４８】
また、ＭｇＯやＡｌＯＸ等を用いたトンネル絶縁層は、酸化物の組成や形成条件にもよるが、記憶素子として用いられる範囲である、面積抵抗値が１０〜１ｋΩμｍ２の範囲においては、一般的に、１．０〜１．５Ｖのバイアス電圧で絶縁破壊する。
従って、スピン注入による磁化反転に必要となる電流（反転電流）が大き過ぎると、スピン注入による磁化反転が起こるバイアス電圧よりも低いバイアス電圧で、トンネルバリアが絶縁破壊してしまう。
このため、トンネルバリアが絶縁破壊しないように、記憶素子のスピン注入効率を向上して、反転電流を低減する必要がある。
【００４９】
そして、記憶層の磁性体の体積Ｖと、記憶層の磁気異方性とから決まる、ＫｕＶ／ｋＢＴ（Ｋｕは異方性エネルギー、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは温度）の値の大きさが小さいほど、記憶層の磁化が反転しやすくなるため、反転電流が少なくてすむ。
しかしながら、ＫｕＶ／ｋＢＴの値が小さすぎる場合には、熱揺らぎの影響によって、磁化が熱擾乱することにより、磁化の向きを規定することが困難となってくる。
即ち、記憶素子のサイズが小さいほど、記憶層の磁性体の体積Ｖが小さくなるため、反転電流が少なくてすむが、記憶素子のサイズが小さくなりすぎると、熱揺らぎの影響によって記憶素子に記録を保持することが困難になる。
また、記憶素子を小さくしていくと、リソグラフィによる記憶素子のパターニングが、難しくなっていく。
従って、反転電流を小さくするために、記憶素子のサイズを小さくしていくことには、限界があり、この観点からも、記憶素子のスピン注入効率を向上する必要がある。
【００５０】
スピン注入の効率は、一般的に、ＭＲ比に依存するので、ＭＲ比が大きいほど、スピン注入効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、記憶層と磁化固定層との間の中間層を、酸化マグネシウムから成る構成とすることにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を大きくして、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記録）を行なうことができる。
【００５１】
さらに、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層に、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を含有させることにより、ＭＲ比を大きくすることができるため、スピン注入効率をさらに向上させることができる。
これにより、スピン注入による書き込み閾値電流を低減して、より少ない電流で情報の書き込み（記録）を行なうことができる。
また、強磁性層にＶ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を含有させることにより、強磁性層の飽和磁化を低減することができるため、この作用によっても、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができる。
【００５２】
ここで、Ｆｅ又はＣｏＦｅに対して、Ｖ又はＣｒを添加した強磁性体について、「ＭＡＣＨＩＫＡＮＥＹＡＭＡ２０００」を用いて、ＫＫＲ−ＣＰＡ法により、第一原理計算を行った。
まず、添加したＶ又はＣｒの含有量（強磁性体に対する割合）を、５原子％、１０原子％、２０原子％として、第一原理計算により飽和磁化量を求めた。また、添加していないＦｅ，ＣｏＦｅ（含有量０％）と飽和磁化量との関係を、図４に示す。
【００５３】
図４より、Ｖ又はＣｒの添加量が増えるに従って、飽和磁気モーメントが大きく減少していることがわかる。
これにより、式（１）から飽和磁化Ｍｓの減少によって磁化反転電流Ｉｃを減少させることができるため、スピン注入による磁化反転効率を向上させることができる。
【００５４】
フェルミレベルにおいて、アップスピンのｓ軌道電子及びｐ軌道電子は、比較的透過確率が高い（Physical Review B, volume 63, 054416, 8 January 2001、を参照）。
ここでＣｏＦｅ、並びにＣｏＦｅにＶ又はＣｒを添加した強磁性体に対して、それぞれ、第一原理計算に基づく電子状態密度（electronic density of state : ＤＯＳ）を求めた。
計算結果を、図５Ａ〜図５Ｃに示す。それぞれ、図５ＡはＣｏ７０Ｆｅ３０（添え字は原子％）、図５ＢはＣｏ６３Ｆｅ２７Ｖ１０（添え字は原子％）、図５ＣはＣｏ６３Ｆｅ２７Ｃｒ１０（添え字は原子％）の計算結果である。また、第一原理計算により算出した、アップスピンまたはダウンスピンのｓ軌道電子、ｐ軌道電子、ｄ軌道電子の各電子状態密度を表２に示す。
【００５５】
【表２】
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【００５６】
図５Ａと、図５Ｂ及び図５Ｃとの比較、並びに表２からわかるように、ＶやＣｒを添加した場合には、上述したように比較的透過確率の高い、アップスピンのｓ軌道電子及びｐ軌道電子の電子状態密度が大きくなる。これにより、抵抗変化率が増加する。
【００５７】
図４及び図５は、Ｃｏ，Ｆｅに対してＶ又はＣｒを添加した場合を示したが、Ｃｏ，Ｆｅに対してＮｂを添加した場合も、同様の結果が得られる。
【００５８】
Ｃｏ，Ｆｅに対するＶ，Ｃｒ，Ｎｂの添加量は、添加したこれらの元素の強磁性体全体に対する含有量が５原子％以上２０原子％以下となるように設定する。
含有量を５原子％以上とすることにより、図４に示したように、飽和磁化が減少するので、磁化反転電流を低減することができる。また、図５に示したように、アップスピンのｓ軌道電子及びｐ軌道電子の電子状態密度を大きくして、抵抗変化率を増加させることができる。
一方、含有量をあまり大きくし過ぎると、磁性層としては存在しえるが、記憶素子を構成するために必要となる飽和磁化量が得られなくなる。そこで、含有量を２０原子％以下とする。
【００５９】
以上のように、本発明によれば、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層のうち、少なくとも一層を、Ｃｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を添加することにより、ＭＲ比、スピン注入効率を向上し、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流密度を低減することができる。
【００６０】
また、記憶素子に充分な書き込み電流を流すためには、トンネル絶縁層（トンネルバリア層）の面積抵抗値を小さくする必要がある。
トンネル絶縁層の面積抵抗値は、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流密度を得る観点から、数十Ωμｍ２程度以下に制御する必要がある。
そして、ＭｇＯ膜から成るトンネル絶縁層では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、ＭｇＯ膜の膜厚を１ｎｍ以下に設定する必要がある。
【００６１】
また、記憶層の磁化の向きを、小さい電流で容易に反転できるように、記憶素子を小さくすることが望ましい。
従って、好ましくは、記憶素子の面積を０．０４μｍ２以下とする。
【００６２】
本発明は、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層のうち少なくとも一層を、上述した組成範囲を有するＣｏ，Ｆｅから成る主成分にＶ，Ｃｒ，Ｎｂを添加してなる構成とする。
即ち、記憶層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層を、上述した組成範囲を有する構成、磁化固定層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層を、上述した組成範囲を有する構成、記憶層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層及び磁化固定層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層を、上述した組成範囲を有する構成が挙げられる。
【００６３】
なお、上述した組成範囲を有する構成の強磁性層と、材料又は組成範囲の異なる他の強磁性層とを直接積層させることも可能であり、このように積層させた場合でも、本発明の効果が得られる。
【００６４】
また、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。
【００６５】
なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。
【００６６】
続いて、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図（斜視図）を図１に示す。
このメモリは、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（例えばワード線）を兼ねている。
ドレイン領域８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
【００６７】
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線（例えばビット線）６との間に、記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子３は、２種類のアドレス配線１，６の交点付近に配置されている。
この記憶素子３は、ビット線６と、ソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１，６を通じて、記憶素子３に上下方向の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００６８】
また、本実施の形態のメモリの記憶素子３の断面図を図２に示す。
図２に示すように、この記憶素子３は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層３１を設けている。磁化固定層３１の下に反強磁性層１２が設けられ、この反強磁性層１２により、磁化固定層３１の磁化の向きが固定される。
記憶層１７と磁化固定層３１との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）となる絶縁層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層３１とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
【００６９】
また、反強磁性層１２の下には下地層１１が形成され、記憶層１７の上にはキャップ層１８が形成されている。
【００７０】
磁化固定層３１は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層３１は、２層の強磁性層１３，１５が、非磁性層１４を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
【００７１】
磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１３の磁化Ｍ１３が右向き、強磁性層１５の磁化Ｍ１５が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
【００７２】
本実施の形態においては、特に、記憶層１７及び磁化固定層３１を構成する強磁性層、即ち、記憶層１７と、磁化固定層３１の強磁性層１３，１５とのうち、少なくとも一層を、Ｃｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種類を５原子％以上２０原子％以下含有する構成とする。
【００７３】
上述した組成範囲のＣｏ，Ｆｅを主成分とする強磁性層には、その他の元素として、Ｇｄ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｒ等の遷移金属、ホウ素、炭素等の軽元素を含有させてもよい。
例えば、Ｃｏ−Ｆｅ合金にホウ素（Ｂ）を含有させて、ＣｏＦｅＢを主成分とすると共に、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類を５原子％以上２０原子％以下含有する構成とすることも可能である。
【００７４】
記憶層１７を上述したＣｏ，Ｆｅを主成分とする構成としない場合には、記憶層１７の構成材料は特に限定されない。
この場合、例えば、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇｄの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｒ等の遷移金属元素やＢ等の軽元素を含有させることもできる。
また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、記憶層１７を構成してもよい。
【００７５】
磁化固定層３１の強磁性層１３，１５の構成材料は、強磁性層１３，１５を上述したＣｏ，Ｆｅを主成分とする構成としない場合には、特に限定されない。
この場合例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｇｄの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、Ｎｂ，Ｚｒ等の遷移金属元素やＢ，Ｃ等の軽元素を含有させることもできる。
【００７６】
磁化固定層３１の積層フェリを構成する非磁性層１４の材料としては、Ｒｕ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ等が使用できる。非磁性層１４の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ０．５ｎｍから２．５ｎｍの範囲で使用する。
反強磁性層１２の材料としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ等の金属元素とＭｎとの合金、ＣｏやＮｉの酸化物等が使用できる。
【００７７】
磁化固定層３１の強磁性層１３，１５の膜厚は、１ｎｍ以上４ｎｍ以下が適当である。
【００７８】
本実施の形態の記憶素子３は、下地層１１からキャップ層１８までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工により記憶素子３のパターンを形成することにより、製造することができる。
【００７９】
そして、上述した成膜方法により、記憶素子３の各層を成膜した後に、例えば、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・２７０℃・４時間の熱処理等を行うことにより、例えばＰｔＭｎ層から成る反強磁性層１２の規則化熱処理を行う。
その後、例えば電子ビーム描画装置を使用して、記憶素子３のパターンのマスクを形成し、記憶素子３の各層の積層膜に対して選択エッチングを行うことにより、記憶素子３を所定のパターンにパターニングする。
なお、記憶素子３部分以外は、絶縁層によって絶縁する。例えば、厚さ１００ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３を、スパッタリングによって形成する。
このようにして、記憶素子３を製造することができる。
【００８０】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７又は磁化固定層３１を構成する強磁性層１７，１３，１５のうち、少なくとも一層を、Ｃｏ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類を主成分として成り、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類の含有量が５原子％以上２０原子％以下である構成としたことにより、高いＭＲ比を確保することができると共に、スピン注入効率を向上させて、スピン注入により記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流密度を著しく低減することが可能となる。
【００８１】
さらに、本実施の形態によれば、中間層である絶縁層１６を、酸化マグネシウム層としたことにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。
このようにＭＲ比を高くすることによっても、スピン注入の効率を向上して、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。
【００８２】
従って、安定して動作する信頼性の高いメモリを実現することができ、記憶素子３を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
【００８３】
次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の断面図を図３に示す。
この記憶素子３０は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層３１を設け、上層に磁化固定層３２を設けている。即ち、記憶層１７に対して、上下２つの磁化固定層３１，３２を設けた構成である。
【００８４】
上層の磁化固定層３２は、単層の強磁性層２０のみを有する構成である。
記憶層１７と上層の磁化固定層３２との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）となる絶縁層１９が設けられ、記憶層１７と磁化固定層３２とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
そして、磁化固定層３２の上に反強磁性層２１が設けられ、この反強磁性層２１により磁化固定層３２の強磁性層２０の磁化Ｍ２０の向きが固定される。
また、反強磁性層２１の上にキャップ層１８が形成されている。
【００８５】
本実施の形態においては、特に、記憶層１７及び磁化固定層３１，３２を構成する強磁性層、即ち、記憶層１７と、磁化固定層３１の強磁性層１３，１５と、磁化固定層３２の強磁性層２０のうち、少なくとも一層を、Ｃｏ，Ｆｅの少なくとも一種を主成分として、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類の含有量が５原子％以上２０原子％以下である構成とする。
さらに、中間層である絶縁層１６，１９を、ＭｇＯ層とする。
【００８６】
上述した組成範囲のＣｏ，Ｆｅの少なくとも一種を主成分として、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類の含有量が５原子％以上２０原子％以下である強磁性層には、その他の元素として、鉄、コバルト、ガドリウムのほか、モリブデン、マンガン、銅、ニオブ、ジルコニウム等の遷移金属、ホウ素、炭素等の軽元素を含有させてもよい。
【００８７】
その他の構成は、図２に示した記憶素子３と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００８８】
また、本実施の形態の記憶素子３０を用いて、図１に示したメモリと同様の構成のメモリを構成することができる。
即ち、記憶素子３０を２種類のアドレス配線の交点付近に配置してメモリを構成し、２種類のアドレス配線を通じて記憶素子３０に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピン注入により記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させて、記憶素子３０に情報の記録を行うことができる。
【００８９】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３０の記憶層１７又は磁化固定層３１を構成する強磁性層１７，１３，１５，２０のうち、少なくとも一層を、Ｃｏ，Ｆｅの少なくとも一種を主成分として、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂから選ばれる少なくとも一種類の含有量が５原子％以上２０原子％以下である構成としたことにより、高いＭＲ比を確保することができると共に、スピン注入効率を向上させて、スピン注入により記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流密度を著しく低減することが可能となる。
【００９０】
さらに、本実施の形態によれば、中間層である絶縁層１６，１９を、酸化マグネシウム層としたことにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。
このようにＭＲ比を高くすることによっても、スピン注入の効率を向上して、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。
【００９１】
さらにまた、本実施の形態では、記憶層１７に対して、下層側と上層側に絶縁層１６，１９を介して、それぞれ磁化固定層３１，３２が設けられているため、この構成の作用によっても、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要となる電流を低減することができる。
【００９２】
従って、安定して動作する信頼性の高いメモリを実現することができ、記憶素子３０を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
【００９３】
上述の各実施の形態では、いずれも、本発明をスピン注入により情報を記録する記憶素子に適用した場合であったが、本発明は、磁場（電流磁場等）を印加することにより記憶層の磁化の向きを反転させる、通常のＭＲＡＭにも適用することできる。
本発明を通常のＭＲＡＭに適用した場合でも、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができるため、読み出し信号強度を大きくして、記憶素子の動作マージンを大きく、読み出しエラーを少なくする効果が得られる。
【００９４】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図２】図１の記憶素子の断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の記憶素子の断面図である。
【図４】Ｖ又はＣｒの添加量（原子％）と飽和磁化量との関係を示す図である。
【図５】Ａ  ＣｏＦｅの電子状態密度を示す図である。  Ｂ  ＣｏＦｅにＶを添加したときの電子状態密度を示す図である。  Ｃ  ＣｏＦｅにＣｒを添加したときの電子状態密度を示す図である。
【図６】スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図７】図６のメモリの断面図である。
【図８】従来のＭＲＡＭの構成を模式的に示した斜視図である。
【符号の説明】
【００９６】
３，３０  記憶素子、１１  下地層、１２，２１  反強磁性層、１３，１５，２０  強磁性層、１４  非磁性層、１６，１９  絶縁層、１７  記憶層、１８  キャップ層、３１，３２  磁化固定層
【図１】
2007073638.tif 000006
【図２】
2007073638.tif 000007
【図３】
2007073638.tif 000008
【図４】
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【図５】
2007073638.tif 000010
【図６】
2007073638.tif 000011
【図７】
2007073638.tif 000012
【図８】
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